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或许再过不久,我们可以贴地飞行

2021-02-18 15:09:19 来源:中国交通新闻网 作者:本报记者 薛彩云

开栏的话

科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼,要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置,这已是当下科技界的共识。加强科学文化建设,为国家科技创新营造良好的社会氛围,科普不可缺位。

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采用西南交通大学原创技术的世界首条高温超导高速磁浮工程化样车及试验线近日在四川成都正式启用。2月3日,四川省经济和信息化厅发布的《关于抢抓重大机遇推动轨道交通产业高质量发展的实施意见(征求意见稿)》中,将推动高温超导磁悬浮项目列入其中。或许再过不久,我们就可以乘坐这辆听起来有点科幻色彩的交通工具,感受“贴地飞行”。

那么,高温超导高速磁浮列车包含了哪些主要的物理原理?高温有多高?什么是超导?

若即若离又不离不弃

玩过磁铁的都知道,同性相斥。高温超导高速磁浮列车就是利用了这一原理,让车体完全脱离轨道,悬浮在距离轨道1厘米处,腾空驾驶,实现“自悬浮”。

西南交通大学超高速真空管道磁悬浮交通研究中心副主任邓自刚教授在高速磁悬浮样车的轨道上做了一个实验:他双手抬起一片长方形的铝板,在永磁轨道上方抛出。结果,铝板并没有直接砸向轨道:它先坠落,然后在距离轨道很近的位置“飘”起来,沿着轨道方向滑行一小段距离才落地,轻盈得像一片羽毛。

邓自刚解释说,因为铝板有电阻,电流会衰减,这块铝板最终会落到轨道上。如果把铝板换成超导体,即在一定温度下电阻变为0的导体,就可以实现长时间的悬浮。

“自悬浮、自稳定、自导向,是它最大的特点。”西南交通大学设计研究院技术负责人吴自立介绍,列车底部安装有超导体,轨道则是永磁体,在液氮的作用下,两者产生了“若即若离又不离不弃”的“钉扎”特性。只要超导态存在,不论对车辆施加上下左右任何一个方向的力,这个系统都能自动把车体“拉回来”。

据了解,磁悬浮列车可以采用3种原理实现悬浮,即电磁悬浮、电动悬浮和高温超导悬浮。目前,我国和日本、德国、美国等国家在高速磁悬浮技术领域处于领先地位。

●中国

我国对于不同制式的高速磁悬浮技术均有研究,其中常导磁悬浮技术工程化应用程度最高,以西南交通大学为代表的高温超导磁悬浮技术在世界上处于领先地位。

●日本

在2015年,日本低温超导磁悬浮列车创下了时速603公里的速度纪录,之后商业应用的速度达到时速505公里。日本低温超导电动悬浮列车技术是利用车载低温超导磁体与闭合“8”字形线圈的相对运动,在线圈中感应出涡流,涡流再产生感应磁场,感应磁场与磁体磁场互相作用产生电磁力,从而实现悬浮。

●德国

德国主要发展常导磁悬制式,相关技术在我国上海磁悬浮专线上得到应用。

●美国

美国主要发展低真空管道磁悬浮技术,目前处于试验验证阶段。

便宜好用的“高温”

高温超导磁浮列车包含了两个关键词:“超导”和“高温”。

1911年荷兰科学家卡麦林·翁纳斯在一次实验中,把水银冻成固体状态,当温度低至零下269摄氏度时,水银的电阻忽然消失了,从而发现“超导现象”。这是人类发现的第一个超导体。后来人们还发现了多个具有这种特征的材料。

高温超导高速磁浮样车。

第二个关键词“高温”,西南交通大学超高速真空管道磁浮交通研究中心首席科学家张卫华教授介绍,事实上这个“高温”的温度并不高。所谓“高温”指的是零下196摄氏度,这个温度显著高于低温超导体所对应的温度要求(零下269摄氏度),意味着可以用更经济的方式实现悬浮。“日本的低温超导磁悬浮技术要求零下269摄氏度,需要用液氦来冷却,这在全世界都是稀缺资源。但高温超导磁悬浮用液氮就行了,空气中78%都是氮气,液氮的成本比矿泉水的成本还低。”张卫华说。

●环保

高温超导磁悬浮能静止悬浮,完全无噪声;永磁轨道产生的是静磁场,乘客接触的地方磁场为零,无电磁污染。

●高速

悬浮高度(10—30毫米)可根据需要设计,可用于从静止至低、中、高速和超高速运行。与其他磁悬浮技术比较,更适合真空管道交通运输(大于1000公里每小时)。

●安全

悬浮力随悬浮高度的降低成指数函数增加,垂直方向无需控制的情况下也能保证运行安全。自稳定的导向系统在水平方向也可以保证运行安全。

●舒适

高温超导体特殊的“钉扎力”保持车体上下左右稳定,是任何交通工具都难以达到的平稳性。乘客乘坐时体会到的是“没有感觉的感觉”。

●运行成本低

与德国的常导磁悬浮车和日本用液氦的低温超导磁悬浮车比较,具有系统重量轻,结构简单,制造和运行成本低的优点。

轮轨还是磁悬浮?

在中国高铁的标杆线路京沪高铁上,曾经有过一场著名的关于采用轮轨还是磁悬浮的争论。争论持续10年。2008年京沪高铁正式开工,轮轨派获胜。

2000年年底,西南交通大学王家素和王素玉科研团队研制出了世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车“世纪号”。目前,通过优化研究,这辆车的悬浮性能提高了6—7倍。

作为技术更先进、运行速度更高的磁悬浮技术,最后为什么会落败?

一是磁悬浮相对轮轨,最大的优势是速度。当轮轨运营时速能够突破350公里的时候,磁悬浮的速度优势已经不那么明显。二是磁悬浮线路的修建成本要大幅度高于轮轨线路的建设。

“现在回过头来看,我觉得这个争论挺有意思的。”张卫华说,在产生争论的那个年代,国外的轮轨技术已经相当成熟,而中国的轮轨铁路,还仅仅能跑出100多公里的时速。在高铁要加速成网的背景下,主张采用轮轨技术,显得很合理。

不过,到了现在,中国高铁已经领跑世界,追求更高的速度,箭在弦上。“时速600公里,已经不是问题,稍微努力一点可以达到600—800公里,这可以填补目前陆地交通和航空交通之间的空白。”西南交通大学副校长何川说,如果将高温超导磁悬浮车放入超高速真空管道,最终能实现时速大于1000公里的行驶。

2012年,为了支持我国原创的高温超导磁悬浮技术发展,西南交通大学牵引动力国家重点实验室拨给高温超导磁悬浮研究团队一笔100万元的专项经费,总算建起了一条45米长的环形实验线。“可以说开启了一片新天地,让这项技术起死回生,让外界再次看到了高温超导磁悬浮技术。”邓自刚说。

那么距离跑起来还有多远?邓自刚表示:“高温超导磁悬浮是理想的新型轨道交通技术,适用于多种速度域,尤其适合高速及超高速线路的运行。下一步将结合真空管道技术,开发填补陆地交通和航空交通速度空白的综合交通系统,为远期向时速1000公里以上速度值的突破奠定基础。”

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